En los años 30, Stein organizó cuatro expediciones arqueológicas a Irán. Estudiaba el mundo iraní y al final de su tercera expedición a Asia Central ya había visitado las fronteras orientales con Afganistán. Conocía bien los acontecimientos y lugares relacionados con la conquista de Alejandro Magno de Persia, y había encontrado influencias iraníes en documentos escritos y objetos de arte mientras seguía la Ruta de la Seda.

En enero de 1932 visitó el Baluchistán persa y viajó a Kerman. Para esta breve expedición empleó a un ayudante húngaro, el joven especialista en India Károly Fábri (1899-1968). En septiembre salió de nuevo hacia Irán y durante su segunda expedición, de 1932 a 1933, continuó sus exploraciones en el Golfo Pérsico, pasando por Minab, Ormuz, Bandar Abbas y el área costera de Laristán a Bushire. En esta tercera expedición (1933-1934) viajó a los extremos orientales, mientras que en la cuarta expedición a Irán (1935-36) lo haría desde los extremos occidentales hasta el Kurdistán iraní. Durante estas expediciones excavó lugares datados desde el neolítico hasta el período islámico.

Al haber descubierto el limes (frontera de defensa) de la Dinastía Han en Gansu, tuvo especial interés en las investigaciones de Fr. Antoine Poidebard (1878-1955), el pionero de la arqueología aérea respecto del limes romano en Siria. Stein decidió emprender investigaciones similares en Iraq y en Cisjordania. En 1929 y 1935 organizó breves vuelos en aeroplanos de la RAF, y comprobó el gran valor de los reconocimientos aéreos. A partir de aquí, en 1938 y 1939 llevó a cabo reconocimientos terrestres y aéreos desde ell Tigris en el noreste de Iraq, hasta el Golfo de Aqaba. Con esta nueva tecnología descubrió restos de carreteras, acueductos, puentes cisternas y términos romanos.